停车场系统低层设计实战：基于 awesome-low-level-design 的 Java 多楼层停车管理系统

• 示例工程

导读

本文以 awesome-low-level-design 仓库中 Java 版停车场系统实现 为主体，完整讲解一个支持多楼层、多种车型、多种车位类型、停车出票、自动计费与车位分配策略的停车场管理系统（Parking Lot System）的低层设计（LLD）全过程。读完本文，你将掌握：核心实体（ParkingLot / ParkingFloor / ParkingSpot / ParkingTicket）的职责划分、Singleton 与 Strategy 两种设计模式在真实业务中的落地方式，以及如何通过策略接口低成本扩展新的计费规则与车位分配算法。

问题陈述与需求分析

仓库内的问题描述文档 problems/parking-lot.md 给出了该系统的需求基线，而 Java 实现目录下的 README 对其做了细化，综合可归纳为：

• 多楼层：停车场可以包含多个楼层（floor）。
• 多车位类型：每个楼层拥有多个停车位，车位按尺寸分为 SMALL / MEDIUM / LARGE（对应代码中的VehicleSize枚举）。
• 多车型支持：系统需支持轿车（Car）、摩托车（Bike）、卡车（Truck）等不同车型（见vehicle/包）。
• 出票：车辆入场停放后生成一张停车票据（ParkingTicket）。
• 离场计费：车辆离场时释放车位并计算停车费用。
• 灵活的计费策略：支持不同的费用计算策略（见strategy/fee/）。
• 车位分配：为车辆分配正确类型且"最近/最合适"的车位。
• 可扩展性：易于新增车型、车位类型或计费策略，且不修改既有核心代码。

该实现还额外关注了并发安全：停车场、楼层、车位、活跃票据集合均使用并发容器或synchronized关键区保护，满足"多入口多出口并发访问"的需求（problems/parking-lot.md 第 6 条）。

核心实体与源码解析

系统按职责划分为四个核心实体类与两个支撑包，全部位于 solutions/java/src/parkinglot/：

parkinglot/ ├── ParkingLot.java # 门面/单例：管理整体流程 ├── ParkingLotDemo.java # 可运行的演示程序 ├── entities/ │ ├── ParkingFloor.java # 楼层 │ ├── ParkingSpot.java # 车位 │ └── ParkingTicket.java # 停车票据 ├── strategy/ │ ├── fee/ # 计费策略（Strategy） │ └── parking/ # 车位分配策略（Strategy） └── vehicle/ # 车型抽象与实现 ├── Vehicle.java VehicleSize.java ├── Bike.java Car.java Truck.java

1. ParkingLot：全局门面与单例

ParkingLot.java 是整个系统的入口类，同时演示了懒加载 + 双重检查的单例模式：

private static ParkingLot instance; public static synchronized ParkingLot getInstance() { if (instance == null) { instance = new ParkingLot(); } return instance; }

私有构造函数中设置了两套默认策略，并把活跃票据放在ConcurrentHashMap中以支持并发访问：

private ParkingLot() { this.feeStrategy = new FlatRateFeeStrategy(); this.parkingStrategy = new BestFitStrategy(); this.activeTickets = new ConcurrentHashMap<>(); }

对外暴露的核心方法（与 README 中列出的方法一一对应）：

• addFloor(ParkingFloor floor)：添加楼层。
• parkVehicle(Vehicle vehicle)：委托给当前ParkingStrategy查找车位，找到则占位、出票并登记到activeTickets（以车牌号为 key），返回Optional<ParkingTicket>；找不到返回Optional.empty()。
• unparkVehicle(String licenseNumber)：按车牌号（README 中写为 ticketId，实际实现以车牌号为索引）取出票据，记录离场时间、释放车位，并调用FeeStrategy.calculateFee(ticket)计算费用。
• setFeeStrategy / setParkingStrategy：运行时热切换计费与分配策略，这正是策略模式的用武之地。

从源码结构看，README 中unparkVehicle(String ticketId)的签名与实现存在差异：当前实现以licenseNumber作为活跃票据的查找键，这是阅读与使用源码时需要注意的细节。

2. ParkingFloor：楼层内的车位管理

ParkingFloor.java 持有floorNumber与一个ConcurrentHashMap<String, ParkingSpot>车位集合，提供：

• addSpot(ParkingSpot spot)：以spotId为 key 登记车位。
• findAvailableSpot(Vehicle vehicle)：过滤出"空闲且能容纳该车辆"的车位，并按车位尺寸 ordinal 升序排序取第一个，即楼层内天然执行"最贴合"分配：

public synchronized Optional<ParkingSpot> findAvailableSpot(Vehicle vehicle) { return spots.values().stream() .filter(spot -> !spot.isOccupied() && spot.canFitVehicle(vehicle)) .sorted(Comparator.comparing(ParkingSpot::getSpotSize)) .findFirst(); }

• displayAvailability()：按VehicleSize分组统计各尺寸空闲车位数，便于演示与实时信息展示。

3. ParkingSpot：车位状态机

ParkingSpot.java 记录spotId、spotSize、占用标志与当前停放车辆。关键的车型-车位匹配规则canFitVehicle如下：

switch (vehicle.getSize()) { case SMALL: return spotSize == VehicleSize.SMALL; case MEDIUM: return spotSize == VehicleSize.MEDIUM || spotSize == VehicleSize.LARGE; case LARGE: return spotSize == VehicleSize.LARGE; }

即：小型车只能停小型位；中型车可停中型或大型位（向下兼容）；大型车只能停大型位。所有状态变更方法（parkVehicle/unparkVehicle/isAvailable）均加synchronized，保证同一车位的并发互斥。

4. ParkingTicket：停车凭证

ParkingTicket.java 在车辆成功停放时生成，字段包括：

• ticketId：由UUID.randomUUID().toString()生成的全局唯一票据号。
• vehicle/spot：车辆信息与所停车位。
• entryTimestamp：入场时间戳（new Date().getTime()），票据创建时固化。
• exitTimestamp：由setExitTimestamp()在离场时写入，作为计费时长依据。

5. 车型体系：Vehicle 抽象基类 + VehicleSize 枚举

Vehicle.java 是抽象基类，持有不可变的licenseNumber与size；三个子类只负责在构造时声明自身尺寸：

public class Bike extends Vehicle { public Bike(String licenseNumber) { super(licenseNumber, VehicleSize.SMALL); } } public class Car extends Vehicle { public Car(String licenseNumber) { super(licenseNumber, VehicleSize.MEDIUM); } } public class Truck extends Vehicle { public Truck(String licenseNumber) { super(licenseNumber, VehicleSize.LARGE); } }

VehicleSize.java 定义SMALL / MEDIUM / LARGE三个枚举值，其ordinal()还被BestFitStrategy用于比较车位贴合程度。

策略模式（一）：计费策略

计费模块遵循策略模式，接口与实现位于 strategy/fee/：

public interface FeeStrategy { double calculateFee(ParkingTicket parkingTicket); }

仓库内置两种实现，可通过parkingLot.setFeeStrategy(...)随时切换：

两种实现均使用(duration / (1000 * 60 * 60)) + 1将毫秒时长折算为"至少 1 小时"的整小时数——即使停车不足 1 分钟也按 1 小时计费，这是实际停车系统中常见的取整口径，也是扩展自定义策略时可直接复用的模板。

策略模式（二）：车位分配策略

车位分配同样抽象为策略接口 ParkingStrategy.java：

public interface ParkingStrategy { Optional<ParkingSpot> findSpot(List<ParkingFloor> floors, Vehicle vehicle); }

仓库内置三种分配算法，覆盖了最常见的停车需求：

1. BestFitStrategy（默认）：遍历所有楼层，在"能容纳该车辆"的车位中挑选尺寸 ordinal 最小者，即最贴合、最节省大车位的分配；仅在没有找到任何可用车位时返回空。
2. NearestFirstStrategy：按楼层列表顺序从前向后查找，返回第一个能容纳的可用车位——模拟"离入口最近优先"。
3. FarthestFirstStrategy：反转楼层列表，从最远楼层开始找——常用于引导车辆优先停满远端、为入口留位。

注意：三种策略最终都会调用ParkingFloor.findAvailableSpot()，因此楼层内部始终按"尺寸最贴合"过滤；策略之间的差异体现在楼层遍历顺序（从头 / 从尾 / 全局最优）上。

设计模式总结

README 提到的Observer 可选扩展（车位空闲通知客户）在问题文档 problems/parking-lot.md 中亦有提及，可作为面试时的加分演进方向，当前代码未实现。

完整示例：从初始化到收费的端到端流程

ParkingLotDemo.java 是官方演示程序，其流程完整覆盖"初始化 → 入场 → 分配 → 离场计费"，可与上文各实体一一对应：

ParkingLot parkingLot = ParkingLot.getInstance(); // 1. 楼层与车位初始化 ParkingFloor floor1 = new ParkingFloor(1); floor1.addSpot(new ParkingSpot("F1-S1", VehicleSize.SMALL)); floor1.addSpot(new ParkingSpot("F1-M1", VehicleSize.MEDIUM)); floor1.addSpot(new ParkingSpot("F1-L1", VehicleSize.LARGE)); ParkingFloor floor2 = new ParkingFloor(2); floor2.addSpot(new ParkingSpot("F2-M1", VehicleSize.MEDIUM)); floor2.addSpot(new ParkingSpot("F2-M2", VehicleSize.MEDIUM)); parkingLot.addFloor(floor1); parkingLot.addFloor(floor2); // 2. 切换到按车型计费 parkingLot.setFeeStrategy(new VehicleBasedFeeStrategy()); // 3. 入场：自行车 / 轿车 / 卡车 parkingLot.parkVehicle(new Bike("B-123")); parkingLot.parkVehicle(new Car("C-456")); parkingLot.parkVehicle(new Truck("T-789")); // 4. 离场并计费 parkingLot.unparkVehicle("C-456");

结合源码可以推演其运行结果：

• Bike("B-123")（SMALL）→ 命中F1-S1；Car("C-456")（MEDIUM）→ 命中F1-M1；Truck("T-789")（LARGE）→ 命中F1-L1。
• Car("C-999")（MEDIUM）在默认BestFitStrategy下，一楼 MEDIUM 位已被占用、无其他可容纳位，于是落到二楼的F2-M1——验证了"跨楼层全局分配"。
• Bike("B-000")（SMALL）入场时一楼 SMALL 位已占用、二楼根本没有 SMALL 车位，分配失败，输出No available spot for B-000——验证了Optional.empty()的优雅降级。
• unparkVehicle("C-456")后按VehicleBasedFeeStrategy计费：Demo 中车辆即时出入，时长不足 1 小时按 1 小时计，MEDIUM 费率 20.0，费用为$20.00；随后F1-M1恢复空闲。

如何运行

在仓库根目录执行以下命令即可编译并运行该 Java 实现（要求已安装 JDK 8+）：

cd solutions/java/src/parkinglot javac ParkingLotDemo.java parkinglot/entities/*.java parkinglot/strategy/fee/*.java parkinglot/strategy/parking/*.java parkinglot/vehicle/*.java java parkinglot.ParkingLotDemo

程序会依次打印入场日志、各楼层可用性统计（按 SMALL/MEDIUM/LARGE 分组计数）以及离场费用，读者可据此对照验证每种策略的行为差异。

扩展框架指南

README 给出了三条清晰的扩展路径，均以"新增类而非改动既有类"为原则，正是 Strategy/模板方法解耦的价值所在：

1. 新增车型：在 vehicle/ 下新增Vehicle子类，构造时声明对应的VehicleSize；若引入新尺寸，需同步扩展VehicleSize枚举与 ParkingSpot.canFitVehicle() 的匹配逻辑。
2. 新增计费策略：实现 FeeStrategy 接口（如夜间优惠、时长阶梯价），再通过parkingLot.setFeeStrategy(...)注入即可，ParkingLot 与票据类零改动。
3. 新增车位类型或楼层行为：扩展 ParkingSpot（如加电动车充电位）或 ParkingFloor；若要引入新的分配语义，只需实现 ParkingStrategy 并注入。

小结

该 Java 版停车场系统是一个教科书级的 LLD 范例：Singleton 保证全局唯一实例，Strategy 双维度（计费 + 分配）解耦算法与业务，并发容器与 synchronized 支撑多入口场景，Optional 返回值让"无位可停"成为可预期的业务结果。读者可以对照 class-diagrams/parkinglot-class-diagram.png 中的 UML 类图梳理类间关系，再结合 ParkingLotDemo.java 实际运行，即可完整掌握从需求分析到可扩展代码实现的全链路方法。

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